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如何计算体系孔径分布、三维探针分布、连通性

1月前浏览1026

本文摘要:(由ai生成)

本文介绍了孔结构分析工具Zeo++和VisIt的安装与使用方法。Zeo++用于计算孔径分布、比表面积、孔体积等,而VisIt用于可视化和分析模拟结果。首先,从官网下载Zeo++并编译安装,然后通过特定命令计算孔径、比表面积、孔体积和孔径分布。VisIt软件可从其官网下载并直接安装。Zeo++适用于MOF材料的cif结构分析,而聚合物材料需先进行分子动力学模拟。文章还提供了详细的命令和参数说明,以及如何使用VisIt进行图形化展示。


不管是聚合物体系或者是多孔材料体系,研究者们都会关系其内部的孔径及其分布、比表面积、孔体积、孔形态及其通道分析等。孔结构分析工具Zeo++,特别适用于计算体系的孔径及其分布、比表面积、孔体积、孔形态及其通道分析等。

1. Zeo++软件安装

1)在下面的网址下载软件:      


http://www.zeoplusplus.org/download.html
   

(也可以加入模拟之家QQ群获取:709020941)      

2)解压软件,在当前路径下将会生成文件夹zeo++-0.3:      


tar -zxvf zeo++-0.3.tar.gz
   

3)编译:





cd zeo++-0.3/voro++/srcmakecd ../..make
   

4)执行完上述编译过程后,会在“zeo++-0.3/”目录下生成一个名为 “network”的文件,即为采用zeo++软件进行计算的可执行文件。使用管理员权限把network拷贝到:/usr/local/bin目录下即可运行。如果没有管理员权限,可添加环境变量即可。

2. VisIt 软件安装

VisIt最初由美国能源部(DOE, the Department of Energy,)开发,用于可视化和分析太赫兹尺度模拟的结果。可从下面网址下载:      


https://visit-dav.github.io/visit-website/releases-as-tables/#series-33
   

由于是windows软件,直接双击运行安装即可。(也可以加入模拟之家QQ群获取:709020941)      

3. 运行示例        

该软件可以直接对MOF材料的cif结构进行分析。对于聚合物材料或者其他无定形结构,建议先使用分子动力学模拟平衡后,得到最后的结构文件进行分析。比如GMX输出的最后一帧结构,但是zeo++软件不能读取gro文件,所以需要先把gro文件转换为pdb之后,再使用MS转为car文件,或者使用VESTA转换为cif文件。      

1)计算孔径 (Pore Diameter)        

运行命令:


network -ha -res test.car
   

上面的car后缀文件可以是cif格式的(下同)。然后会得到test.res文件,里面内容为:


test.res    4.89082 3.03868  4.81969
   

第2~4列分别为:全局最大孔腔直径(global cavitydiameter,GCD),孔腔极限直径(pore limiting diameter, PLD)、最大孔腔直径(largest cavity diameter, LCD)。

如下图所示。GLD和LCD不一定相同,因为客体分子不一定能够穿透GLD所在的孔通道;因此可以说A孔道空间是客体分子不可及的(nonaccessible)。    

如果把上述命令中-res改为-resex,则文件的输出内容如下:      


test.res 13.112360  6.65120      13.13460  6.62375      6.64126  6.65080  13.11218      13.14560  13.19140
   

第2到第4列的数据与上述描述相同。在后面的6列中,前3列表示晶体元胞在晶轴a/b/c三个方向上的最小孔径直径(PLD),剩下的3列表示这三个方向上的最大连通直径(LCD)。通过这些结果,可以判断材料中的PLD通道是沿着哪个方向的。      

2)计算比表面积 (Surface area)        

Zeo++可以计算半径为probe_radius的球形探针可接触到的表面积(确切地说,是探针中心可接触到的表面积)。该计算分为两步进行。首先,确定孔隙的可接触性。然后,采用蒙特卡洛采样法进行积分以计算表面积。运行下面命令:          

network -ha -sa 1.2 1.2 2000 test.car
   

第一个1.2 (chan_radius)表示用于探测材料内部孔道空间可达性的探针分子半径(单位:Å);第二个1.2 (probe_radius)表示用于计算比表面积的探针分子半径(单位:Å);2000表示在每个材料原子周围进行Monte Carlo抽样探测的次数。这些数值可以根据实际需求进行调整,且通常情况下,chan_radius和probe_radius设置为相同的值。运行结束会生成一个文件tset.sa。文件的内容如下:




@ test.sa Unitcell_volume: 307.484 Density: 1.62239   ASA_A^2: 60.7713 ASA_m^2/cm^3: 1976.4 ASA_m^2/g: 1218.21NASA_A^2: 0 NASA_m^2/cm^3: 0 NASA_m^2/g: 0
   

其中,Unitcell_volume为元胞的体积,ų;Density为晶体密度,g/cm³;ASA为材料的可及比表面积(accessible surfacearea);NASA为材料的非可及比表面积(inaccessiblesurface area)。      

3)可及孔体积 (Accessible volume)        

可及孔体积在这里定义为球面探针中心可达的体积,运行下面命令:      


network -ha -vol 1.2 1.2 50000 test.car
   

上面参数含义和计算比表面积类似。如果探针半径设置为0,则所计算的结果为材料内部不被骨架原子所占据的几何孔体积。      

运行结束会生成一个文件tset.vol。文件的内容如下:




@ test.vol Unitcell_volume: 307.484 Density: 1.62239   AV_A^3: 22.6493 AV_Volume_fraction: 0.07366 AV_cm^3/g: 0.0454022NAV_A^3: 0 NAV_Volume_fraction: 0 NAV_cm^3/g: 0
   

AV为材料的可及孔体积(accessible pore volume);AV_Volume_fraction为材料的可及孔隙率;NAV为非可及孔体积(nonaccessible pore volume)      

4)孔径分布 (Pore SizeDistribution, PSD)      

命令和上述命令相似,仅改变关键字为计算孔径分布的-psd即可:      


network -ha -psd 1.2 1.2 50000 test.car
   

运行结束之后,得到一个test.psd_histo文件,里面记录了Bin、Cumulative_dist、Derivative_dist等信息,把第1列和第4列作图,即可得到孔径分布图,如:

同时,也会生成一个test.vpsdpts的文件,使用Vislt作图,可以得到三维的孔径分布图,类似下图所示:

5)计算体系的连通性 (Voronoi network)        

命令和上面命令类似:      


network -ha -visVoro 1.2 test.car
   

运行结束之后,会生成





test_voro_accessible.vtktset_voro_nonaccessible.vtktest_voro_accessible.xyztset_voro_nonaccessible.xyz
   

文件,使用Vislt作图,可以得到三维的连通性图片,类似下图所示:

The interconnected (green) and disconnected (red) voids with respect to a probe of 1.2 Å radius

来源:模拟之家

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ACTUMVPS材料分子动力学GROMACS
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首次发布时间:2024-11-02
最近编辑:1月前
刘十三613
博士 分子动力学、GROMACS
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未登录
2条评论
@
签名征集中
11天前
才能显示如图的贯通行图像
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@
签名征集中
11天前
Vislt作图具体要怎么做呢
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